フラップ（航空学）

典型的な旅客機（エアバスA310-300）では、後縁フラップが右側に展開されている。前縁スラットも左側に展開されている。

フラップは、一定の重量において航空機の翼の失速速度を低減するために使用される高揚力装置です。フラップは通常、固定翼航空機の翼後縁に取り付けられます。フラップは離陸距離と着陸距離を短縮するために使用されます。また、フラップは抗力を増加させるため、不要な場合は格納されます。

ほとんどの航空機に装備されているフラップは部分幅フラップです。つまり、翼の付け根付近からエルロンの内側の端まで翼幅方向に広がります。部分幅フラップを展開すると、翼の内側半分がより多くの揚力を供給し、外側半分が供給する揚力の割合が減少することで、翼の翼幅方向の揚力配分が変わります。翼の外側半分で供給される揚力の割合が減少すると、外側半分の迎え角も減少します。これにより、外側半分の失速より上の余裕が増し、エルロンの有効性が維持され、非対称失速やスピンの可能性が減少するため、有利です。翼全体の理想的な揚力配分は楕円形ですが、部分幅フラップを展開すると、楕円形から大きく外れます。これにより揚力誘導抗力が増大しますが、これにより航空機をより急角度で降下させることができるため、進入および着陸時には有利となります。

主翼フラップを展開すると、翼のキャンバー（曲率）が増加し、最大揚力係数、つまり翼が発生できる揚力の上限が上昇します。これにより、航空機はより低速で必要な揚力を発生できるようになり、航空機が安全に飛行を維持できる最低速度（失速速度）が低下します。ほとんどの航空機構成において、フラップ展開の有益な副次効果として、機体のピッチ角が減少し、機首が下がることで、着陸時にパイロットが機首越しに滑走路を視認しやすくなるという効果があります。

フラップには様々な設計があり、搭載する航空機のサイズ、速度、複雑さ、そして設計された時代によって適切な選択が異なります。プレーンフラップ、スロッテッドフラップ、ファウラーフラップが最も一般的です。クルーガーフラップは翼の前縁に配置され、多くのジェット旅客機に使用されています。ファウラーフラップ、フェアリー・ヤングマンフラップ、ガウジフラップは、キャンバー角を変化させるだけでなく、翼面積を増加させます。揚力面が大きくなることで翼面荷重が減少し、失速速度がさらに低下します。

一部のフラップは別の場所に取り付けられています。前縁フラップは翼の前縁を形成し、展開されると下方に回転して翼のキャンバー角を増加させます。デ・ハビランド DH.88 コメットレーサーは、胴体下面と翼後縁の前方にフラップを備えていました。ワコ・カスタムキャビンシリーズの複葉機の多くは、上翼下面の 翼弦中央にフラップを備えています。

動作原理

一般的な飛行機の揚力方程式はこれらの関係を示しています: [ 1 ]

L＝12ρV2SCL{\displaystyle L={\tfrac {1}{2}}\rho V^{2}SC_{L}}

どこ：

  • Lは生成される揚力の量であり、
  • ρ{\displaystyle \rho }空気の密度は
  • Vは飛行機の真対気速度、または空気に対する飛行機の速度である。
  • Sは翼の面積である
  • CL{\displaystyle C_{L}}は揚力係数であり、使用される翼型の形状と翼が空気と接する角度（または迎え角）によって決まります。

ここで、面積（S）と揚力係数（）を増加させることで、より低い対気速度（V）で同様の揚力を発生させることができることがわかります。そのため、フラップは短距離離着陸（ STOL ）に広く使用されています。 CL{\displaystyle C_{L}}

3つのオレンジ色のポッドは、フラップトラック機構を流線型に整えるフェアリングです。フラップ（エアバスA319では左右に2つずつ）は、このフェアリングの真上にあります。

フラップを展開すると、航空機の抗力係数も増加します。したがって、重量と対気速度が同じであれば、フラップは抗力を増加させます。フラップを展開すると、翼幅方向の揚力分布が歪んで誘導抗力が増大するため、航空機の抗力係数が増加します。フラップによっては翼面積が増加するため、速度が同じであれば、総抗力における寄生抗力成分も増加します。[ 1 ]

離陸時のフラップ

航空機の種類によっては、離陸時にフラップを部分的に展開する場合があります。[ 1 ]離陸時にフラップを使用すると、滑走路距離と上昇率のトレードオフが発生します。フラップを使用すると地上での横揺れは減少しますが、上昇率も低下します。離陸時に使用されるフラップの量は航空機の種類によって異なり、メーカーは制限値を提示し、予想される上昇率の低下を示す場合があります。セスナ172Sパイロット操作ハンドブックでは、地面が軟弱な場合や滑走路が短い場合は離陸時にフラップを10度、それ以外の場合は0度にすることを推奨しています。[ 2 ]

着陸時のフラップ

着陸後の地上走行中にフラップが開き、スポイラーが上がって抗力が増大します。
スプリットフラップを備えたノースアメリカンT-6練習機

着陸時には、フラップを完全に展開することで航空機の失速速度を低下させ、着陸進入をよりゆっくりと飛行できるようにすることができます。これにより、航空機はより短い距離で着陸することができます。フラップを完全に展開すると、抗力が大きくなり失速速度も低下するため、着陸地点への進入はより急勾配で低速になりますが、翼面荷重が非常に低い（つまり、重量が軽く翼面積が大きい）航空機では操縦性が悪くなります。飛行線を横切る風（横風）により、航空機の風上側に揚力と抗力が大きくなり、航空機は予定の飛行経路から外れてロール、ヨー、ピッチングします。その結果、多くの軽航空機は横風時にフラップの設定を下げて着陸します。さらに、航空機が地上に到着すると、翼がまだ揚力を発生させているため、フラップによってブレーキの効力が低下し、特に雨天時や凍結時には停止距離が長くなります。通常、パイロットはこのような事態を防ぐために、できるだけ早くフラップを上げます。[ 2 ]

操縦用フラップ

グライダーの中には、着陸時だけでなく、飛行中にもフラップを使って選択した速度に対して翼のキャンバーを最適化するものがあります。サーマル飛行中は、失速速度を下げるためにフラップを部分的に伸ばしてグライダーをよりゆっくり飛行させて沈下率を下げ、サーマルの上昇気流をより効率的に利用し、より小さな円で旋回してサーマルの中心を最大限に活用できるようにすることができます。高速では、機首下げのピッチング モーメントを減らすためにネガティブ フラップ設定が使用されます。これによって水平安定板に必要なバランス負荷が減り、グライダーを縦方向トリムに維持するのに必要なトリム抵抗が減ります。 ネガティブ フラップは、航空機による曳航発進の初期段階や着陸滑走の終了時にも、エルロンによる制御を向上させるために使用できます。

グライダーと同様に、中島キ43などの一部の戦闘機も、空中戦中の機動性を向上させるために特殊なフラップ（手動操作のファウラーフラップ）を搭載しており、失速速度を低減し、より急な旋回を可能にします。[ 3 ]この用途で使用されるフラップは、より大きな応力に耐えられるように特別に設計する必要があり、ほとんどのフラップには展開可能な最高速度があります。精密曲技飛行競技用に製造されたコントロールライン模型飛行機には、通常、操縦半径を狭めるために、昇降舵とは反対方向にフラップを動かす一種の操縦フラップシステムが搭載されています。

「ゲルゲ 21」などには、アナログ計算による自動闘犬フラップ システムが搭載されていました。 ( ja:自動空戦フラップ)

フラップトラック

フラップトラックは、主にPH鋼とチタンで製造され、航空機の翼後縁にあるフラップを制御します。伸縮フラップは、多くの場合ガイドトラック上を走行します。ガイドトラックが翼構造の外側に走行する場合は、流線型にし、損傷から保護するためにフェアリングされることがあります。[ 4 ]一部のフラップトラックフェアリングは、高速で 気流が遷音速になる場所で局所的な音速衝撃波によって引き起こされる抗力を低減するアンチショックボディとして機能するように設計されています。

スラストゲート

エンジンの流れと展開フラップとの干渉を最小限に抑えるため、後縁フラップにスラストゲートまたは隙間を設ける必要がある。多くのフラップ設置で隙間が生じる内側エルロンがない場合は、フラップ部分を改造する必要がある。ボーイング 757のスラストゲートは、内側と外側のダブルスロットフラップの間にシングルスロットフラップを配置することで実現されていた。[ 5 ] A320 、A330、A340、A380には内側エルロンはない。連続シングルスロットフラップにはスラストゲートは不要である。ゴーアラウンド時にフラップが完全に展開された状態で干渉を受けると抗力が増加する可能性があり、上昇勾配を損なってはならない。[ 6 ]

フラップの種類

フラップと高揚力装置。ガーニーフラップは分かりやすくするために誇張して表示しています。ブローフラップは他のフラップから変更されているため省略しています。淡い線は動線を示し、緑は潜航中のフラップ設定を示しています。

プレーンフラップ

翼の後部は、フラップの前部に取り付けられた単純なヒンジで下向きに回転する。[ 7 ]イギリスの王立航空機工場と国立物理学研究所は1913年と1914年にフラップをテストしたが、実際の航空機に搭載されることはなかった。[ 8 ] 1916年、フェアリー航空会社は、特許を取得したキャンバー変更装置など、再建中だったソッピース ベイビーにいくつかの改良を加え、フェアリー・ハンブル・ベイビーと改名し、フラップを装備して飛行する最初の航空機とした。[ 8 ]これらはエルロンを組み込んだ全翼幅のプレーン・フラップであり、フラッペロンの最初の例でもあった。[ 8 ]しかしフェアリーだけではありませんでした、ブレゲーも1917年にブレゲー14偵察爆撃機の下翼に自動フラップを組み込みました。[ 9 ]他のタイプのフラップの方が効率が良いため、プレーンフラップは通常、シンプルさが求められる場合にのみ使用されます。

スプリットフラップ

翼型の下面後部はフラップの前縁から下方にヒンジで取り付けられているが、上面は固定されている。[ 10 ]これにより、縦方向のトリムが大きく変化し、機首が上下に傾く。スプリット フラップは、最大限に偏向するとスポイラーのように動作し、抗力係数が大幅に増加する。また、揚力係数もわずかに増加する。これは1920 年にオービル ライトとジェームズ MH ジェイコブスによって発明されたが、1930 年代にようやく普及し、その後すぐに取って代わられた。[ 11 ]スーパーマリン スピットファイアとダグラス DC-1 (DC-3 と C-47 の前身) は、1930 年代にスプリット フラップを採用した多くの航空機のうちの 2 機種である。

スロット付きフラップ

フラップと翼の間に隙間があることで、翼下からの高圧の空気がフラップ上に押し出され、気流がフラップに付着したままになるので、スプリットフラップに比べて最大揚力係数が増加します。[ 12 ]さらに、後縁を離れる空気の速度が、フラップがない場合の一般的な自由流の 80% から、スロットフラップの前縁を流れる高速で低圧の空気の速度に上昇するため、主翼の翼弦全体の圧力が大幅に減少します。[ 13 ]翼とフラップの間を空気が通過できるフラップは、スロットフラップと見なされます。スロットフラップは、ハンドレページ社の研究の成果であり、1920 年代にさかのぼるスロットの変種ですが、広く使用されるようになったのはずっと後になってからです。フラップの中には、効果をさらに高めるために複数のスロットを使用するものもあります。

ファウラーフラップ

スプリットフラップは後方にスライドした後、下方にヒンジで開き、第一翼弦長とキャンバー角を増加させます。[ 14 ]フラップはプレーンフラップのように翼の上面の一部を形成する場合もあれば、スプリットフラップのように翼の上面の一部を形成しない場合もありますが、下降前に必ず後方にスライドする必要があります。ガウジフラップとの違いとして、必ずスロット効果をもたらすことが挙げられます。

フラップは1924年にハーラン・D・ファウラーによって発明され、 1932年にNACAでフレッド・ワイクによってテストされました。1935年にマーティン146プロトタイプで初めて使用され、1937年のロッキード・スーパーエレクトラで生産に入りました[ 15 ]。そして、現代の航空機で広く使用されており、多くの場合、複数のスロットを備えています。[ 16 ]

ユンカースフラップ

主翼の後縁の下に固定され、前縁を中心に回転するスロット付きのプレーンフラップ。[ 17 ]未使用時は他のタイプのフラップよりも抗力が大きいが、プレーンフラップやスプリットフラップよりも失速速度を低減するのに効果的であり、機械的な単純さも維持している。1920年代後半にユンカースのオットー・マーダーによって発明され、ユンカース Ju 52とユンカース Ju 87シュトゥーカで最もよく見られたが、同じ基本設計はデニー・キットフォックスのような多くの現代の超軽量機にも見られる。このタイプのフラップは外部翼型フラップと呼ばれることもある。[ 18 ]

ガウジフラップ

スプリットフラップの一種で、湾曲したレールに沿って後方にスライドすることで後縁を押し下げ、トリムに影響を与えず、追加の機構も必要とせずに翼弦長とキャンバー角を増加させる。[ 19 ] 1936年にアーサー・ガウジがショート・ブラザーズ社のために発明し、非常に厚いショートAD5翼型を採用したショート・エンパイアとサンダーランド飛行艇に搭載された。ショート・ブラザーズは、このタイプのフラップを採用した唯一の会社だったかもしれない。

フェアリー・ヤングマンフラップ

フラップを下げ（ユンカースフラップとなる）、その後後方にスライドし、上下に回転する。フェアリーはこの設計を採用した数少ない企業の1つであり、フェアリー・ファイアフライとフェアリー・バラクーダに採用された。展開状態では、フラップを上方（負の迎角）に傾けることで、過度なトリム変更を必要とせずに機体を垂直に降下させることができた。

ザップフラップ

ザップフラップは、ベルリナー/ジョイス社に在籍していたエドワード・F・ザパルカによって発明され、 1932年にゼネラル・エアプレーンズ社のアリストクラットでテストされ、その後も定期的に他の機種でもテストされたが、ノースロップP-61ブラックウィドウ以外の量産機にはほとんど採用されなかった。フラップの前縁はトラックに取り付けられており、フラップの弦中央の点はアームを介してトラックのすぐ上のピボットに接続されている。フラップの前縁がトラックに沿って後方に移動すると、トラック、シャフト、およびフラップの表面（ピボットに固定）で形成される三角形が狭く深くなり、フラップが押し下げられる。[ 20 ]

クルーガーフラップ

ヒンジ付きフラップは、格納時には翼の前縁の一部を形成しないまま、翼の前縁の下から折り畳まれる。これにより翼のキャンバー角と厚さが増加し、失速速度が低下し、抗力が増加する。[ 21 ] [ 22 ]これは、前縁全体から形成される前縁ドループフラップとは異なる。[ 23 ] 1943年にヴェルナー・クルーガーによって発明され、ゲッティンゲンで評価されたクルーガーフラップは、多くの現代の後退翼航空機に搭載されている。

ガーニーフラップ

翼弦長の1～2%程度の小さな固定垂直タブで、翼型後縁の高圧側に取り付けられる。1971年にこれを再発見したレーシングカードライバーのダン・ガーニーにちなんで名付けられ、以来、シコルスキーS-76Bなどの一部のヘリコプターで、大幅な再設計をすることなく操縦上の問題を解決するために使用されている。これにより、基本的な理論上の翼型（三角形と円を重ね合わせた形状）であっても、従来の翼型と同等の効率が得られる。この原理は1930年代に発見されたが、ほとんど使用されておらず、その後忘れ去られた。スーパーマリン・スピットファイアの後期型では、昇降舵の後縁に同様の機能を持つビードが取り付けられていた。

前縁フラップ

翼の前縁全体が下向きに回転し、キャンバー角が効果的に増加し、翼弦長もわずかに減少します。[ 24 ] [ 25 ]最も一般的に見られるのは、他の前縁高揚力装置に適さない非常に薄い主翼を持つ戦闘機です。スラットはそのような装置の一つであり、一部の固定翼航空機の主翼前縁に取り付けられた伸縮式の高揚力装置です。その目的は、離陸、初期上昇、進入、着陸などの低速運航中に揚力を増加させることです。

吹き飛んだフラップ

境界層制御システムの一種であるブロウンフラップは、エンジンで発生した空気または排気をフラップ上に通過させ、機械式フラップで達成可能な速度以下に失速速度を低減します。タイプには、エンジンからの圧縮空気をフラップ上に吹き付けるオリジナル（内部吹きフラップ）、エンジン排気をフラップの上部と下部に吹き付ける外部吹きフラップ、エンジン排気を翼とフラップの上部に吹き付ける上面吹き込みフラップなどがあります。テストは第二次世界大戦前にイギリスとドイツで行われ、[ 26 ]飛行試験が開始されましたが、ブロウンフラップを備えた最初の量産機は1957年のロッキードT2Vシースターまで待たなければなりませんでした。[ 27 ]上面吹き込みは1976年にボーイングYC-14で使用されました。

フレキシブルフラップ

フレックスフォイルとも呼ばれるこの翼は、翼の反りを現代的に解釈したもので、内部の機械アクチュエータが格子を曲げることで翼型の形状を変化させます。固定翼と柔軟翼の境界部分には、フレキシブルギャップシールが備えられている場合もあります。[ 28 ]

フラペロン

フラップとエルロンの両方の機能を組み合わせた航空機の操縦翼面の一種。

連続後縁フラップ

2014年、 NASAラングレー研究センターの米国陸軍研究所（ARL）の研究者らは、ヘリコプターのローターブレード用のアクティブフラップ設計を開発しました。連続後縁フラップ（CTEF）は、飛行中にブレードのキャンバーを変化させる部品を使用することで、機械的なヒンジを排除し、システムの信頼性を向上させます。試作機は風洞試験用に製作されました。[ 29 ]

ARLのチームは、2016年1月に個別ブレード制御技術を搭載したローターブレードの実弾試験を完了しました。この実弾試験では、ブレード制御技術の弾道的脆弱性を調査しました。研究者たちは、ARLの空軍基地実験施設において、長さ4フィートのCTEF（弾道弾の弾頭長）を持つ7フィート幅、10インチ弦のローターブレードセクションに対し、典型的な地上射撃を再現する3発の射撃を行いました。[ 30 ]

  • 前縁スラットとスロットは翼の前縁上部に取り付けられており、固定式または格納式ですが、展開されるとスラットの下にスロットまたは隙間ができて、翼の上部に空気を押し付けます。これはクルーガーフラップには存在しません。これらは低速での操縦性を向上させます。前縁スラットにより、翼はより高い迎え角で飛行できるようになり、離着陸距離が短縮されます。[ 31 ]他のタイプのフラップには、効果を高めるために1つまたは複数のスロットが装備されている場合があり、これは多くの現代の旅客機で一般的な設定です。これらは、前述のようにスロッテッドフラップとして知られています。フレデリック・ハンドレー・ページは、1920年代と30年代に前後のスロット設計の実験を行いました。
  • スポイラーは、翼上の気流を「スポイル」することで抗力を増加させることを目的としています。スポイラーはガーニーフラップよりもはるかに大きく、格納可能です。スポイラーは通常、翼上面の翼弦中央に設置されますが、翼下面に設置される場合もあります。
  • エアブレーキは抗力を増加させるために使用され、航空機が急角度で降下したり、急速に減速したりできるようにします。
  • エルロンはフラップに似ており（動作も同じ）、両翼の揚力特性を同時に変化させるのではなく、横方向の制御を目的としているため、差動的に動作します。つまり、片方の翼のエルロンがその翼の揚力を増加させる場合、反対側のエルロンは揚力を増加させず、むしろその翼の揚力を減少させるように動作します。フラップと連動して下げるように設計されたエルロンは通常フラッペロンと呼ばれ、気流を乱すエルロン（通常は後縁の前の上面に配置）はスポイロンと呼ばれます。
  • 完全に偏向した状態のプレーンフラップ。
    完全に偏向した状態のプレーンフラップ。
  • 第二次世界大戦の爆撃機の分割フラップ
    第二次世界大戦の爆撃機の分割フラップ
  • 着陸のために展開されたダブルスロットファウラーフラップ
    着陸のために展開されたダブルスロットファウラーフラップ
  • ボーイング747のクルーガーフラップとトリプルスロット後縁フラップが着陸のために展開される
    ボーイング747のクルーガーフラップとトリプルスロット後縁フラップが着陸のために展開される
  • ユンカース製フラップはエルロンとしても機能します。
    ユンカース製フラップはエルロンとしても機能します。
  • C-17Aは、フラップが3/4の位置で展開された状態で、複数のスロット付きフラップとスラットを示しています。
    C-17Aは、フラップが3/4の位置で展開された状態で、複数のスロット付きフラップとスラットを示しています。

参照

ウィキメディア コモンズには、後縁フラップに関連するメディアがあります。

参考文献

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参考文献

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